流动注射-化学发光法测定百草枯的含量

龚一歌,周子琪,牛卫芬

(山西医科大学 法医学院,晋中 030600)

百草枯,又名对草快、克芜踪,化学名称为1,1-二甲基-4,4-联吡啶阳离子盐,因其对植物具有速效灭杀性,1962 年开始作为除草剂在全世界广泛使用[1]。百草枯对土壤具有极强的吸附作用,易产生残留污染,并且对人畜具有强大的毒性作用,无特效解毒剂[2]。我国早已在2014年7月1日起就停止了百草枯水剂的生产,但保留母药生产企业水剂的出口境外登记,允许专供出口生产;2016年7月1日起停止了百草枯水剂在中国的销售和使用[3];2020年9月26日起禁止百草枯可溶胶剂在中国境内的销售和使用[4]。尽管百草枯的使用受到了一定的限制,但是多年来世界各国均有关于百草枯中毒的报道事件,在我国农村地区使用百草枯致经济作物大面积枯死及人畜中毒案件也时有发生。因此,建立百草枯高效、快速、灵敏、简便的测定方法尤为重要。

目前,国内外已报道的百草枯检测方法有气相色谱法[5]、高效液相色谱法[6]、离子色谱法[7]、气相色谱-质谱法[8]、液相色谱-串联质谱法[9]和流动注射-化学发光法[10]等。与其他分析方法相比,流动注射-化学发光法具有灵敏度高、仪器设备简便易行、分析快速等优点。基于百草枯在碱性的鲁米诺-铁氰化钾体系中具有较高化学发光强度的特点,本工作提出了流动注射-化学发光法测定百草枯含量的方法。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

BPCL-GP15-TIC型微弱发光测量仪;760CRT型紫外-可见分光光度计;Cary Eclipse型荧光分光光度计;AR 2130型电子天平;Milli-QIntegral型超纯水系统。

百草枯标准储备溶液:5.0 g·L-1,精确称取0.250 0 g百草枯标准品,用水溶解,并定容至50 mL容量瓶中,于4 ℃冰箱中避光保存。使用时,用水稀释至所需质量浓度。

鲁米诺标准储备溶液:1.0×10-2mol·L-1,精确称取0.885 8 g鲁米诺标准品,用5 mL 1.0 mol·L-1氢氧化钠溶液溶解,再用水定容至500 mL容量瓶中,于室温避光保存20 d后使用。使用时,用水稀释至所需浓度。

铁氰化钾标准储备溶液:1.0×10-2mol·L-1,精确称取0.329 2 g铁氰化钾标准品,用水溶解,并定容至100 mL容量瓶中,室温保存。使用时,用水稀释至所需浓度。

百草枯、鲁米诺、铁氰化钾标准品的纯度均大于99%;试验用水为去离子水。

1.2 仪器工作条件

光电倍增管负高压600 V;泵载流量4.0 mL·min-1。

1.3 试验方法

流动注射-化学发光法的流路示意图见图1。在500 mL 2.0×10-6mol·L-1鲁米诺标准溶液中加入0.5 mL 5.0 mol·L-1氢氧化钠溶液,配制成含0.005 mol·L-1氢氧化钠的2.0×10-6mol·L-1鲁米诺标准溶液。1.0×10-3mol·L-1铁氰化钾标准溶液与不同质量浓度的百草枯标准溶液通过三通管混合,经10 cm 长的混合管进入流通池,待基线稳定后,转动进样阀,将上述含0.005 mol·L-1氢氧化钠的2.0×10-6mol·L-1鲁米诺标准溶液载入铁氰化钾与百草枯的混合溶液中,三者发生化学发光反应,记录信号值。随同做空白试验。

图1 流动注射-化学发光法流路示意图Fig.1 Schematic diagram of flow injectionchemiluminescence

2 结果与讨论

2.1 混合管长度的选择

按照试验方法对2.0×10-6mol·L-1鲁米诺标准溶液、1.0×10-3mol·L-1铁氰化钾标准溶液、1.0×10-6mol·L-1百草枯标准溶液进行分析,考察了混合管长度(进样阀到流通池的距离)分别为5,10,15,20 cm 时对体系信噪比的影响。结果显示:随着混合管长度的增加,体系信噪比也随之增加;当混合管长度大于10 cm 后,体系信噪比略有降低。因此,试验选择混合管的长度为10 cm。

2.2 化学发光体系的选择

以鲁米诺为化学发光试剂,考察了高锰酸钾和铁氰化钾为催化剂时对体系信噪比的影响。结果显示,以铁氰化钾为催化剂时,体系信噪比更高,因此试验选择的化学发光体系为鲁米诺-铁氰化钾。

2.3 测定条件的选择

2.3.1 试剂加入顺序

试验考察了鲁米诺标准溶液、铁氰化钾标准溶液和百草枯标准溶液的3种加入顺序(①将铁氰化钾与百草枯先混合,然后将鲁米诺载入上述混合溶液中;②将鲁米诺与百草枯先混合,然后将铁氰化钾溶液载入上述混合溶液中;③将铁氰化钾与鲁米诺先混合,然后将百草枯载入上述混合溶液中)对体系化学发光信号的影响。结果显示,不同的加入顺序对体系化学发光信号有显著影响,第①种加入顺序较另两种会产生更稳定的信号,且信噪比更高。因此,试验选择将铁氰化钾与百草枯先混合,然后再加入鲁米诺。

2.3.2 鲁米诺标准溶液和氢氧化钠的浓度

试验考察了鲁米诺标准溶液浓度分别为5.0×10-7,1.0×10-6,2.0×10-6,5.0×10-6,1.0×10-5,2.0×10-5,5.0×10-5,1.0×10-4,2.0×10-4mol·L-1时对体系信噪比的影响。结果显示,与其他浓度相比,当鲁米诺标准溶液浓度为2.0×10-6mol·L-1时,体系信噪比较高。

碱性条件下,鲁米诺能被铁氰化钾氧化产生化学发光。在500 mL 2.0×10-6mol·L-1鲁米诺标准溶液中 分别加 入0.1,0.2,0.5,1.0,1.5 mL 5.0 mol·L-1氢氧化钠溶液,考察了鲁米诺标准溶液中氢氧化钠浓度分别 为0.001,0.002,0.005,0.010,0.015 mol·L-1时体系信噪比的变化情况。结果显示,与其他浓度相比,当氢氧化钠浓度为0.005 mol·L-1时,体系信噪比较高。因此,试验选择鲁米诺标准溶液浓度为2.0×10-6mol·L-1,氢氧化钠浓度为0.005 mol·L-1。

2.3.3 铁氰化钾标准溶液的浓度

试验考察了铁氰化钾标准溶液浓度分别为1.0×10-5,2.0×10-5,5.0×10-5,1.0×10-4,2.0×10-4,5.0×10-4,1.0×10-3,2.0×10-3mol·L-1时对体系信噪比的影响。结果显示:体系信噪比随铁氰化钾标准溶液浓度的升高而增大;当铁氰化钾标准溶液浓度为1.0×10-3mol·L-1时,体系信噪比较高。因此,试验选择铁氰化钾标准溶液的浓度为1.0×10-3mol·L-1。

2.4 发光机理探讨

根据文献报道,铁氰化钾作为催化剂,可催化溶解氧氧化鲁米诺产生化学发光[11]。采用荧光分光光度计的生物发光模式对鲁米诺-铁氰化钾和鲁米诺-铁氰化钾-百草枯两个体系的发射光谱进行考察,结果如图2(a)所示。

由图2(a)可见,两个体系的最大发射波长均为425 nm,说明两个体系的发光体相同,均为鲁米诺氧化产物3-氨基邻苯二甲酸根离子的激发态(3-AP*)[12-14]。接着,试验采用紫外-可见分光光度计考察了上述两个体系的吸收光谱,结果如图2(b)所示。

图2 发射光谱和紫外-可见吸收光谱Fig.2 Emission spectra and UV-visible absorption spectra

由图2(b)可见,百草枯的加入仅增强了鲁米诺-铁氰化钾体系在300 nm 附近的吸收强度,而特征吸收峰的位置未发生变化,说明反应产物并未改变。

基于以上试验结果,推测鲁米诺-铁氰化钾-百草枯体系的化学发光反应可能的机理是:在碱性条件下,铁氰化钾催化溶解氧氧化鲁米诺产生化学发光,百草枯的加入使得发光体3-AP*浓度水平增大,从而发出更强的光。

2.5 标准曲线和检出限

移取适量的百草枯标准储备溶液,用水逐级稀释,配制成百草枯质量浓度为5.0×10-4,1.0×10-3,2.0×10-3,5.0×10-3,1.0×10-2,2.0×10-2,5.0×10-2,8.0×10-2,1.0×10-1g·L-1的标准溶液系列。按照优化的试验条件进行检测,以百草枯的质量浓度为横坐标,体系化学发光强度(扣除空白)为纵坐标绘制标准曲线。结果显示,百草枯标准曲线的线性范围分别为5.0×10-4～1.0×10-2g·L-1和2.0×10-2～1.0×10-1g·L-1,其对应的线性回归方程 分别为y＝11.64ρ＋17.02 和y＝123.6ρ＋1 493,相关系 数分别 为0.997 0 和0.998 8。

根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)对检出限计算方法的规定,按照3sb/S(式中:sb代表空白值标准偏差;S代表灵敏度,即低浓度水平线性范围内线性回归方程的斜率)计算检出限,结果为7.4×10-5g·L-1。

2.6 干扰试验

选取尿液中常见的物质,在优化的试验条件下,对5.0×10-3g·L-1百草枯标准溶液进行干扰试验。结果显示,在相对误差的绝对值不超过5.0%时,50倍的蔗糖、淀粉,8倍的葡萄糖,5倍的Ca2＋、Cl-,3 倍的Fe3＋,尿素、尿酸的质量浓度不大于5.0×10-4g·L-1,Mg2＋、Cu2＋、SO42-的质量浓度不大于1.5×10-4g·L-1对百草枯的测定结果没有显著影响。

2.7 精密度和回收试验

按照试验方法分别对5.0×10-3g·L-1和5.0×10-2g·L-1百草枯 标准溶 液平行测定11次,计算得测定值的相对标准偏差分别为4.6%和3.4%。

取3份5 mL 空白尿样,分别加入一定量的百草枯标准溶液,以3 000 r·min-1转速离心5 min,取1 mL上清液于100 mL 容量瓶中,用水定容,按照仪器工作条件进行测定,计算百草枯的回收率,结果见表1。

表1 回收试验结果Tab.1 Results of test for recovery

本工作提出了流动注射-化学发光法测定百草枯含量的方法,该方法检出限较低、线性范围较宽,并且具有设备简单、操作方便、灵敏度高、分析快速等优势,为实际样品中百草枯的快速测定提供了一种新思路。